曾經(jīng),，說到機器人就會聯(lián)想起它們冰冷機械零件堆砌出的外表,，生硬的機器語言，受人類操控為人類服務,；現(xiàn)如今,，人工智能等技術賦予機器人以“個性”，一個個形態(tài)萬千,，功能迥異的機器人出現(xiàn)在了人們的日常生活中,。
本文將聚焦醫(yī)療機器人領域，美國著名腫瘤外科專家,、虛擬手術創(chuàng)始人Dr． Shafi Ahmed曾表示：“手術機器人替代外科醫(yī)生只是個時間問題,，未來外科手術室里不會再有一群醫(yī)生從早到晚有做不完的手術了?！?/p>
你知道么,？早在1985年,，美國人就嘗試用Puma560工業(yè)機器人輔助進行腦組織活檢，這是手術機器人最初的雛形和探索,；在80年代末90年代初,，誕生了以RoboDoc外科手術機器人為代表的專門用于手術的外科機器；1994年,，美國Computer Motion公司研制的伊索（Aesop）持鏡機器人可以模仿人手臂功能,，取消了對輔助人員手動控制內(nèi)窺鏡的需要，實現(xiàn)比人為控制更精確一致的鏡頭運動,，為醫(yī)生提供直接,、穩(wěn)定的視野（至2014年，外科醫(yī)師已經(jīng)應用伊索機器人在全球做了超過7．5萬例次微創(chuàng)手術）,；1999年1月9日,，美國Intuitive Surgical公司發(fā)布了達芬奇外科手術機器人系統(tǒng)，2000年被美國藥監(jiān)局正式批準投入使用認證,，成為全球首套可以在腹腔手術中使用的機器人手術系統(tǒng),。
去年，一臺名為STAR（Smart Tissue Autonomous Robot,，以下簡稱STAR機器人）的醫(yī)療機器人問世,，并且迅速占據(jù)了更大科技媒體頭條，為什么,？因為它是全球第一臺可以自主處理軟組織的手術機器人,，通過專門的算法程序自主完成操作，能避免手術中可能出現(xiàn)的人為差錯,。這也標志著外科手術無人化向前邁進了一大步,。
STAR自主手術機器人
STAR機器人背景揭秘
STAR機器人是由美國華盛頓兒童國家健康系統(tǒng)（Children＇s National Health System）的Peter C． Kim團隊研發(fā)。經(jīng)過長達7年之久的探索和磨合訓練,，Kim團隊整合了近紅外熒光（NIRF）標記和3D光場成像技術,，解決了成像問題。這套成像系統(tǒng)通過捕捉組織器官的光場信息,，生成3D立體影像,。有了這套成像系統(tǒng)，STAR就可以在整個手術過程中,，準確而不受限制地監(jiān)測目標組織的運動和變化,。STAR就像就有了“眼睛”，它知道哪個組織是它手術的目標,，哪個是不能碰的,。為了配合STAR的這套成像系統(tǒng)，Kim團隊又自主創(chuàng)新的研發(fā)了一套智能算法,。這套算法不僅可以制定手術方案,，它還可以根據(jù)成像系統(tǒng)傳回的信息,，判斷組織的變化，進而對手術方案作出調(diào)整,。
STAR機器人將自主完成手術全過程，醫(yī)生并不參與操控,，只需要站在旁邊監(jiān)督,。為了應對緊急情況，醫(yī)生可以隨時暫停機器人的工作,。
它已經(jīng)做了兩次豬腸縫合手術,，一次在活體外，一次在活體內(nèi),，均取得成功,。在2017智能機器人與系統(tǒng)國際學術會議（IROS 2017）上，STAR研發(fā)團隊展示了STAR機器人最新的研究結(jié)果：相比起專業(yè)的外科醫(yī)生,，機器人也能夠更精確地切開組織,，對周圍的組織損傷也更小。
STAR機器人的“豬肉組織切割實驗”
美國馬里蘭大學機械工程學院副教授Axel Krieger參與了這項研究,，他說：“我真的相信機器人做手術是外科的發(fā)展趨勢,。”
為開展研究,，研究人員到肉店買了豬的三種組織：豬皮,、脂肪和豬肉。在比較STAR機器人和外科醫(yī)生做手術之前,，首先有必要證實STAR機器人能夠精確切割這三種不規(guī)則軟組織,，因為這些軟組織彈性大，滑動性大,，切割時極易產(chǎn)生誤差,。
STAR機器人在做手術時，會跟隨預先劃定的切割路徑,，同時不斷調(diào)整切割角度,，來適應組織切割時產(chǎn)生的各種阻力。
圖片來源：Justin Opfermann＆ Ryan Decker攝
研究人員事先在組織上做好小標記,，這些標記會顯示在機器人的近紅外相機上,，從而幫助機器人完成視覺追蹤。因此,，研究人員也稱STAR為半自動機器人,。Axel Krieger稱：“做好標記后，機器人便可自動完成腫瘤切割手術,?！?/p>
圖片來源：Justin Opfermann＆ Ryan Decker攝
經(jīng)證實STAR機器人能夠完成切割手術,。Axel Krieger及其同事已讓STAR機器人和外科專家進行對比實驗，共同完成過一臺豬皮組織切割手術,。
機器人和外科醫(yī)生需在豬皮組織上完成5厘米長的直線切割,。手術的評判標準是手術切線與給定長度的標準切線之間的偏離程度以及其切口周圍受損皮膚的面積。評判結(jié)果為：與醫(yī)生相比,，STAR機器人的切口長度更接近5厘米,，與標準切線的偏離程度更低，因而受損皮膚的面積更小,。
試驗的最后階段,，研究團隊讓STAR機器人從豬的脂肪層中切除一個黏土制成的人造腫瘤。人造腫瘤上附有薄層組織,，增加了機器人識別腫瘤的難度,。研究人員預先標出腫瘤的邊界，然后引導STAR切除邊界周長為四毫米 的人造腫瘤,。結(jié)果,，機器人又一次完成了精準切割，為癌癥病人帶來了希望,。
Axel Krieger稱：“下一步將訓練STAR機器人處理復雜的三維形態(tài)的腫瘤,，這將需要新型相機進行視覺追蹤，以及更加精密的手術規(guī)劃軟件,?！?/p>
跟外科醫(yī)生搶飯碗的機器人會越來越多
現(xiàn)在，外科醫(yī)生通常用手術筆標記腫瘤邊界,，也可以很容易轉(zhuǎn)向使用紅外線標記法,，引導機器人完成手術。此外,，如果醫(yī)生想讓STAR機器人完全自己完成手術,，STAR機器人可從CT和MRI影像中獲取信息，確定腫瘤位置,。由此可見,，STAR將成為手術室“新星”。
STAR機器人研發(fā)團隊認為,，醫(yī)療機器人的理念和自動駕駛汽車相同——不是因為我們不會開車,，而是因為我們想減少交通事故的發(fā)生。機器人可以精準穩(wěn)定地操作一切,，無需休息,，大大提高治療效率，縮短病人的等待時間，提高就醫(yī)效率,。
伴隨著人工智能的發(fā)展和系統(tǒng)器械的完善,，手術機器人將進一步功能細化，大到機體外科手術,，小到傷口消毒縫合,，實現(xiàn)專科化,、專項化,。這樣一來，既降低了研發(fā)成本和難度,，加快了迭代更新的頻率，又減少了生產(chǎn)成本,，繼而降低了病人看病的成本,，可以又快又好地實現(xiàn)醫(yī)療無人化。